功率晶闸管的热敏特性研究

2019-01-17,,,,,,

四川电力技术 2018年5期

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(1.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川成都 610041； 2.东方电气(成都)工程设计咨询有限公司，四川成都 611731；3.国网杭州供电公司，浙江杭州 310000)

0 引言

随着脉冲功率技术的发展，晶闸管作为闭合开关在该领域也得到广泛应用。作为核心器件之一，晶闸管的状态也直接关系到系统的正常运行[1-3]。微观研究和实际应用表明[4]，晶闸管的电气性能、使用寿命等参数均和其结温有着很大的关系。因此研究晶闸管各种工况下的结温不仅有助于优化改善晶闸管的性能，而且对提高其可靠性也具有重要的意义。

由于晶闸管不是理想开关，当其被触发导通后[5-6]，正向电流会在PN结中产生焦耳热，并且热量不会立即传递给封装中的钼片和铜基座，所以晶闸管的外壳温度并不等于其结温。这就导致晶闸管的结温无法从外部测量。目前，分析和研究其结温的主要手段有热阻抗法、有限元分析法、扫描电镜、红外光谱法等[2，4]。由于功率晶闸管在测量中存在封装复杂、额定电流高等实际情况，上述方法都存在一定的局限性。下面讨论一种通过功率晶闸管的热敏参数来反映结温的方法。

1 晶闸管的热敏特性

晶闸管是一种具有3个PN结的功率半导体器件[7-8]，而PN结的很多特性参数都对温度敏感，随着温度的变化而变化。因此可以通过测量PN结的某些特征参数和温度之间的关系来反映PN结的温度，进而获得运行状态下晶闸管芯片的结温。

由文献可知，单个PN结的通态压降具有负温度特性，并且其通态压降随着PN结温度的升高在一定温度范围内呈现线性的下降。单个PN结的正向电流If和通态电压Uf具有式(1)所述的关系：

(1)

式中：k为玻尔兹曼常数，1.380 650 5×10-23J/K；q为电子的电荷量，1.602 192×10-19C。T为热力学温度；Uf为通态压降；I0为PN结的反向饱和电流。I0的表达式为

(2)

式中：A为一个与温度无关的常数；Ug0为半导体材料的禁带宽度。

将式(2)代入式(1)，两边同时取对数整理可得式(3)。

(3)

式(3)描述了PN结的通态压降、正向电流、结温三者之间的关系。可以看出，当If为恒流时，通态压降只与PN结的温度相关。易知当T=0和T=1时，Unl=0。对Unl表达式求导可得式(4)。

(4)

易知当T=1/e时，Unl存在一个极值点且为极大值。

Unl与T的关系如图1所示，在图中的高温区和低温区，Unl随T的变化的非线性很强；而在中温区两者则趋向于线性关系。

图1 硅PN结的典型U-T特性曲线

实际应用中，硅半导体元件的工作极限温度为473 K，在图1位于中温区，因此可以利用式(3)研究其特性。

2 热敏特性的测试

设计并搭建了如图2所示的实验平台对功率晶闸管的热敏特性进行测试。待测功率晶闸管为某型5 in冰球型封装功率晶闸管，其额定电流为2200 A。测试电流If在取值时既要保证功率晶闸管能够完全开通，又要尽量减少其自身导致的附加发热。根据文献[6]可知，当If=20 A时，可认为功率晶闸管芯片已经充分导通且远小于额定电流，因此，平台中采用了一台20 A的恒流源提供式中的If。

实验时，用烘箱将待测功率晶闸管逐级加热至不同的目标温度，经过足够长时间达到热平衡后触发功率晶闸管使其导通，测量其在20 A恒定电流下(热敏电流)的通态压降Uf(由图2中a、b端点引出)。将获得的通态压降与对应温度关系绘制成曲线，即热敏特性校准曲线(简称热敏曲线)。